李 璐 陳 偉 劉偉偉

四川九洲空管科技有限責任公司 四川 綿陽 621000

1 引言

二次監(jiān)視雷達是由詢問設(shè)備和應(yīng)答設(shè)備共同組成的無線電電子探測和識別系統(tǒng)，詢問設(shè)備發(fā)射電磁波[1]，應(yīng)答設(shè)備(亦稱“雷達信標”)接收到詢問電磁波后被觸發(fā)，發(fā)射應(yīng)答電磁波，詢問雷達根據(jù)接收到的應(yīng)答電磁波，實現(xiàn)探測和識別[2]。誕生之初稱之為敵我識別系統(tǒng)，是為了使雷達能夠分辨出敵我雙方的飛機。二戰(zhàn)后，敵我識別系統(tǒng)的基本原理用于民航的空中交通管制，就誕生了二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)。

軍民用二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)在選擇安裝地點時會參照相關(guān)標準執(zhí)行，盡量避免安裝環(huán)境對二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的影響。以民航為例，將會參照《民用航空通信導航監(jiān)視臺(站)設(shè)置選址技術(shù)審查辦法(試行)》對安裝實施地點進行預(yù)選、實地勘察、現(xiàn)場測量和技術(shù)分析，了解地形、地質(zhì)條件、氣象、水文和電磁環(huán)境情況[3]，重點對影響雷達性能電磁環(huán)境、陣地遮蔽進行評估分析，盡可能選擇影響較小的實施地點。

但隨著城市快速發(fā)展與擴展，原來偏僻的雷達陣地變成快速發(fā)展的高新區(qū)，一座座高樓拔地而起，一片片生產(chǎn)廠房全面鋪開，一個個通信基站遍地開花，由此帶來復雜的電磁環(huán)境和地形環(huán)境，致使二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)部分區(qū)域出現(xiàn)虛假的反射虛假目標、目標代碼錯誤、目標高度錯誤、目標分裂、目標丟失甚至部分區(qū)域出現(xiàn)航跡扭曲偏航無法融合等現(xiàn)象。下面我們將從二次雷達指標體系出發(fā)，研究以上的城市化進程帶來影響的機理，提出相應(yīng)的優(yōu)化建議或措施。

2 指標體系

按照《MHT4010-2016空中交通管制二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》之規(guī)定，二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)主要的性能指標體系參數(shù)包括[4]。

(1) 單脈沖體制空管二次監(jiān)視雷達的最大儀表作用距離不應(yīng)小于250海里；該參數(shù)主要詢問機和應(yīng)答機的發(fā)射功率、接收機靈敏度以及陣地遮蔽等因素影響[5]。

(2) 距離分辨力不應(yīng)大于75m，測距精度不應(yīng)大于29m(不包含應(yīng)答機應(yīng)答延時引入的測距誤差)；該參數(shù)主要受詢問機距離計數(shù)時鐘采樣頻率、時序控制準確性等因素影響。

(3) 單脈沖體制空管二次監(jiān)視雷達的方位分辨力不應(yīng)大于0.6°(條件為模式A和模式C交替)，測角精度不應(yīng)大于0.05°；該參數(shù)主要受詢問機轉(zhuǎn)臺編碼器位數(shù)、轉(zhuǎn)臺指向精度、方位偏離視軸(Offset Boresight Angle，OBA)表的準確性、信號提取質(zhì)量等因素影響。

(4) 模式A代碼有效性應(yīng)大于98%，模式C代碼有效性應(yīng)大于97%；該參數(shù)主要受詢問機接收機性能、信號提取質(zhì)量等因素影響。

以上二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的性能參數(shù)可通過雷達實時分析支持系統(tǒng)(RASS-R)記錄、分析、評估。

3 影響分析

3.1 電磁影響

雖然在城市管理中城市無線電管理機構(gòu)按照《中華人民共和國無線電管理條例》對城市環(huán)境電磁環(huán)境實時監(jiān)測與管理，確保二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的收發(fā)工作中心頻率1030MHz與1090MHz頻點不受干擾，但隨著無線電通信技術(shù)的進步和發(fā)展，各種無線電業(yè)務(wù)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域，隨之而來的無線電干擾問題也越來越多。其中，尤其以民航為代表，地空通信頻率受到的干擾花樣繁多，情況日益嚴重[6]。當1030MHz干擾信號串入應(yīng)答機接收通道時，可能致使應(yīng)答機不應(yīng)答詢問機的真實信號，從而造成目標丟失；當1090MHz干擾信號串入詢問機接收通道時，可能產(chǎn)生虛假框架影響目標探測，形成虛假目標或影響正常目標譯碼，嚴重時甚至造成接收機過載性能降級。

3.2 遮蔽影響

由二次監(jiān)視雷達原理可知，雷達波理論采用直線傳播，當目標仰角低于遮蔽角時，應(yīng)答機無法獲取有效的詢問信號而不應(yīng)答，從而造成目標丟失，探測威力降低。所以雷達站選址一般在高山或地勢相對較高遮蔽較小的地點，但隨著城市發(fā)展越來越快，城市建設(shè)帶來的移動基站的鐵塔、傳輸高壓線的鐵塔、高大的建筑物、施工工地的塔架、高山、供水的水塔、電線桿、居民樓等障礙物都對老舊的雷達陣地帶來遮蔽，距離越近影響越大，遮蔽越大影響越大。

例如，柳州某雷達站在建站初期地處城市郊區(qū)，較為偏遠，周邊普遍以低矮建筑為主，雷達站架高僅有40m，對設(shè)備探測威力影響不大，但近年隨著雷達周邊快速發(fā)展城市居民樓、廠房等建筑明顯高于雷達站位置，如圖1所示，居民樓距離1.5公里，高度超120m，由此在該方位存在2～4°的遮蔽，致使有效探測僅有250公里左右。

圖1 柳州某雷達站周邊建筑遮蔽實景圖

3.3 多徑效應(yīng)

城市建設(shè)給雷達陣地附近帶廠房鐵皮屋頂、居民樓、鐵塔等障礙物會對雷達站帶來多徑效應(yīng)。按照二次監(jiān)視雷達直射路徑和反射路徑的方位間隔來進行劃分，可分為3類[7]：A類是直射路徑和反射路徑在同一個垂直平面內(nèi)；B類是直射路徑和反射路徑有一個小的水平夾角，但兩者處于同一個波束內(nèi)；C類是直射路徑和反射路徑存在較大的夾角，該種情況可用幾何模型來表示。按照直射路徑和反射路徑的時間間隔來進行劃分，多徑可分為2類[8]：A類是時間間隔較小，應(yīng)答脈沖幾乎完全重疊，因兩條路徑長度差值較小，所以也被稱為短路徑；B類是時間間隔較大，應(yīng)答脈沖無重疊或部分重疊，因兩條路徑長度差值較大，所以也被稱為長路徑，如圖2所示，大角度反射就屬于較為普遍現(xiàn)象，直接造成兩個大角度方位出現(xiàn)兩批二次代碼和高度、距離相近的目標，融合進入空管自動化系統(tǒng)會產(chǎn)生虛假告警，若未能正確識別嚴重時可能造成飛行沖突啟動避讓管制程序，擾亂飛行計劃，嚴重影響飛行生產(chǎn)安全。

圖2 大路徑反射虛假目標示意圖

當近距離存在大面積反射面時，如圖3所示，會產(chǎn)生大量的短路徑應(yīng)答，會導致直射信號和反射信號的重疊。通過兩個路徑到達的天線的波形會進行疊加，如果兩個信號相位相同，那么疊加后的信號強度最強，如果反相，則信號強度最小，直接影響信號質(zhì)量，輕則信號失真測角精度降低航跡扭曲或信號分裂產(chǎn)生多目標，重則無法正確提取目標信息造成代碼錯誤或高度錯誤(A或C碼代碼有效性降低)，甚至目標丟失。

圖3 短路徑幾何關(guān)系示意圖

同樣在柳州某雷達站，如圖4所示，正常接收的應(yīng)答信號質(zhì)量穩(wěn)定航跡連續(xù)平滑；但在某方位存在大量的近區(qū)存在板房金屬屋頂大面積不規(guī)則的反射面，如圖5所示，造成目標信號失真，航跡探測嚴重扭曲。

圖4 柳州某雷達站目標正常應(yīng)答原始信號及跟蹤航跡平滑示意

圖5 柳州某雷達站目標應(yīng)答信號失真及跟蹤航跡扭曲示意

4 優(yōu)化建議

4.1 概述

當陣地環(huán)境的改變帶來的影響較為嚴重時，同時契合城市發(fā)展規(guī)劃的情況下可通過站點搬遷徹底解決，但由此產(chǎn)生的費用較高，而且在新站點重點評估當前和未來城市發(fā)展的電磁、地形的影響。如果無法搬遷，只能在原站點對二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的天線、譯碼、點跡錄取、航跡跟蹤等環(huán)節(jié)進行優(yōu)化處理，盡可能降低影響。

4.2 天線俯仰調(diào)整

二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)一般采用大垂直口徑天線，采用垂直極化，天線的垂直波束具備修正余割平方和底部銳截止的特性，天線俯仰一般可調(diào)?？筛鶕?jù)多徑效應(yīng)模型和實際數(shù)據(jù)分析，在保證有效的探測威力下調(diào)整俯仰角降低近距離打地信號能量，減少多徑信號疊加影響。

4.3 譯碼處理優(yōu)化

根據(jù)二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)工作原理，譯碼處理主要完成原始應(yīng)答視頻或中頻處理提取生成數(shù)字信號。此階段一般采用半電壓6dB門限檢測與提取目標信號，可以通過測量低于峰值6dB部分來確定接收脈沖的寬度，調(diào)整6dB檢測門限可以抑制部分干擾將應(yīng)答信號展寬的影響，提高信號的檢測精度；同時增加信號處理輸出數(shù)據(jù)類別，為后續(xù)處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，例如將所有脈沖信號幅度都輸出，后端數(shù)據(jù)可選擇框架(F1/F2)幅度或平均幅度，可根據(jù)各碼位脈沖幅度進行剔除抑制干擾，提高精度。

4.4 點跡錄取優(yōu)化

根據(jù)二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)工作原理，點跡錄取主要完成原始應(yīng)答的提取、濾波、信息(代碼、高度)提取、凝聚輸出點跡。此階段可采取。

(1) 加強應(yīng)原始答信號一致性檢查。剔除正常應(yīng)答序列中異常應(yīng)答的影響，通過對單個目標應(yīng)答信號的幅度變化率(曲線單調(diào)性、曲率等)檢測，剔除異常值或剝離多應(yīng)答信號，降低虛假或異常應(yīng)答信號的干擾。

(2) 提升OBA表的陣地適配能力。根據(jù)實際陣地布置，錄取真實應(yīng)答信號分距離和方位制作多個OBA表，使OBA滿足遮蔽或反射區(qū)域的幅度降低的特性。

(3) 設(shè)置區(qū)域抑制異常點跡。通過區(qū)域參數(shù)調(diào)整錄取參數(shù)，提高目標的應(yīng)答次數(shù)和幅度門限進行異常點跡抑制，降低錯誤點跡對目標航跡跟蹤的影響(特別是航向、速度、相關(guān)門限)。

4.5 航跡跟蹤優(yōu)化

根據(jù)二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)工作原理，航跡跟蹤主要完成目標點跡跟蹤輸出穩(wěn)定的目標航跡。此階段可以優(yōu)化航跡跟蹤參數(shù)，在航跡扭曲區(qū)域設(shè)置航跡濾波參數(shù)調(diào)整區(qū)，根據(jù)點跡質(zhì)量動態(tài)調(diào)整航平滑濾波參數(shù)，動態(tài)調(diào)節(jié)航跡起始、航向航速濾波參考幀數(shù)，即當目標點跡質(zhì)量低時，增加航跡起始的門限，上調(diào)航跡預(yù)測權(quán)重，使航跡偏向于預(yù)測位置；當目標點跡質(zhì)量高時，下調(diào)航跡預(yù)測權(quán)重，使目標航跡向真實目標點跡靠近；由此抑制點跡方位測量波動的影響，從而使得航跡平滑而不偏離太大。

5 總結(jié)

隨著城市化進程加速推進，城市建設(shè)使得部分城市邊緣的二次監(jiān)視雷達陣地發(fā)展成為“城中村”，周邊出現(xiàn)大量的鐵塔、高樓、廠房等障礙物或反射體，無線電快速發(fā)展也為二次監(jiān)視雷達使用帶來電磁干擾隱患，由此造成二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)探測距離下降、目標交織、代碼錯誤、高度錯誤、航跡扭曲等現(xiàn)象，直接影響二次監(jiān)視雷達的威力、精度、分辨力等效能。本文通過二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的威力、精度、分辨力、代碼有效性等指標體系分解，結(jié)合柳州某雷達站案例，深入淺出的分析城市環(huán)境帶來遮蔽和多徑效應(yīng)對二次監(jiān)視雷達效能影響，并提出站點搬移、天線俯仰調(diào)整、譯碼處理優(yōu)化、點跡錄取優(yōu)化、航跡跟蹤優(yōu)化等有效可行的優(yōu)化建議，可為現(xiàn)實中具有該問題隱患的二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)提供一定的解決思路。